功能材料结构与设计.ppt

1、功能材料结构与设计,第一章 功能材料概述 功能材料的概念、分类及特点 功能设计的概念及方法 第二章 材料结构原理 对称操作和对称元素-分子篇 对称操作和对称元素-晶体篇 晶体学中的群论 二维晶体学 三维晶体学 空间群与晶体结构 第三章 固体总论 固体中的化学键 固体中的缺陷 无机固体的合成,第四章 功能设计的原理和方法简介 固体结构与性能之间的相互关系 功能材料设计原理 功能材料设计方法 第五章 不同功能材料结构与设计选讲 磁性材料 超导材料 特殊热性能材料 智能材料 功能高分子材料 纳米功能材料 其它功能材料 第六章 现代功能材料应用及其设计方法展望,内容提要,第一章 功能材料概述,功能材料

2、定义: 在声、光、电、磁、热及化学性能上有特殊效应的，用于非结构目的的(高技术)材料。 功能材料分类: 根据材料的化学组成、应用领域、使用性能进行分类。 功能材料的现状: 现已开发的以物理功能材料最多有，单功能材料，功能转换材料，多功能材料，复合和综合功能材料，新形态和新概念功能材料。化学和生物功能材料的种类较少，但其发展速度很快，其功能也更多样化。,电功能材料,电功能材料按导电机理可分为：电子导电材料和离子导电材料两大类。电子导电材料包括导体、超导体和半导体。 导体材料的电阻率随着温度升高而升高。分类:金属材料，合金材料（铂铑-铂热电偶），无机非金属材料。 半导体材料具有负的电阻温度系数。

3、半导体的导电机理：半导体的导电来源于电子（导带）和空穴（价带）的运动，电子和空穴都是半导体中导电的载流子。,电功能材料,杂质半导体 固溶体 化合物半导体 原子数比: 1/109 1/100 1/100 原子站位: 同位 同位 异位,电功能材料,超导电现象：材料的电阻随温度降低而减小并最终出现零电阻的现象。超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。 超导体的基本特性： 特性一：完全导电性（零电阻） 特性二：完全抗磁性 特性三：临界温度（Tc）、临界磁场（Hc）、临界电流Jc是约束超导现象的三大临界条件 特性四：约瑟夫森（B D Josephson）效应（隧道效应） 超导合金其中Ge-Nb3的临界温

4、度最高（23.2K） 陶瓷超导体YBaCuO（Tc90K）,磁功能材料,磁功能材料 磁化强度（M）：只有当内部磁矩同向有序排列时才对外显示强磁性。 磁场强度（H）：指空间某处磁场的大小。 磁感应强度（B）：物质在外磁场作用下，其内部原子磁矩的有序排列还将产生一个附加磁场。 Hc-矫顽磁力；Br-剩余磁感应强度；Bm-饱和磁感应强度。,软磁材料：镍铁合金（Hc1kA/m） 硬磁材料：钕铁硼永磁合金 矩磁材料：磁滞回线为矩形,其他功能材料,磁致伸缩材料：磁性材料在外磁场作用下，产生伸长或缩短的现象为磁致伸缩效应。 （声纳、传感器敏感元件） 功能高分子 - 指当有外部刺激时，能通过化学或物理的方法做

5、出反应的高分子材料。 热功能材料：随着温度的变化，有些材料的某些物理性能会发生显著变化，如热胀冷缩、出现形状记忆效应或热电效应等，这类材料称为热功能材料。 分类:(正/负)热膨胀材料 形状记忆材料 测温材料（热电） 纳米功能材料、光功能材料 、敏感材料、储氢材料、隐形材料。,功能材料设计的概念及方法,功能设计基本思想,基本思想 Basic Structure +/- d(Structure) = New Structure,Basic Properties/functions,+ 3,+,New Properties/functions,第二章 材料结构原理- 分子篇,分子的对称性：是指存在一

6、定的操作，它在保持任意两点间距离不变的条件下，使分子内部各部分变换位置，而且变换后的分子整体又恢复原状。这种操作称为对称操作。对称操作据以进行的元素称为对称元素。,分子结构中的重要点群,C1点群：分子完全不对称 对称元素: E 一阶群(E),Ci点群: 对称元素: i 二阶群(E，i),二氟二氯乙烷,分子结构中的重要点群,Cs点群: 对称元素: 二阶群(E，),C2点群: 对称元素: n 二阶群(C2，C22=E),H2O2 C2,分子结构中的重要点群,C3点群: 对称元素: n 三阶群,CCl3CH3 C3,分子结构中的重要点群,Cn点群（n1） 对称元素: n n 阶群(Cn, Cn2,

7、Cn3 Cnn-1, Cnn=E),分子结构中的重要点群,Cnv 点群 对称元素: n，n个v /d 2n 阶群,分子结构中的重要点群,Cnv 点群:,H2O,NH3,分子结构中的重要点群,Cnh 点群 对称元素: n，h 2n 阶群 C1h =Cs,分子结构中的重要点群,点群 对称元素: (和键轴方向一致) v (无穷多个,通过键轴的垂直镜面) 例: CO、HCN 无对称中心的线型分子均属 点群,HCN,分子结构中的重要点群,Dn点群 对称元素: Cn，C2(在主轴的垂面方向上) 含三个相同双齿配体的六配位化合物均属D3点群,D3： Co(NH2CH2CH2NH2)33+,分子结构中的重要点

8、群,Dnh点群 对称元素: Cn，C2(在主轴的垂面方向上)，h (水平),D2h,E,C2,2C2, h,i,2v,D3h,重叠式乙烷,E,2C3,2S3, 3C2,3v h,分子结构中的重要点群,Dnd点群 对称元素: Cn C2(在主轴的垂面方向上) d (一套平分每一对C2轴间夹角的垂直镜面),D2d,分子结构中的重要点群,Dnd点群例:,分子结构中的重要点群,点群 对称元素: (和键轴方向一致) v (无穷多个,通过键轴的垂直镜面) h (水平镜面) C2(无穷多个,垂直于 ) 例: H2 、CO2 、XeF2 有对称中心的线型分子均属 点群,Sn点群 对称元素: Sn (映轴) n

9、=奇数，Sn=Cnh n=偶数， S2=Ci S4 ，S6新群,S4 E, S41, S42, S43 E,hC41,C21, hC43,分子结构中的重要点群,Td 点群 正四面体构型的分子或离子（对称操作: 24个） CH4 ， CCl4 ，GeCl4,Oh 点群 正八面体构型的分子或离子（对称操作: 48个） UF6 ， SF6 ，PtCl62-,分子结构中的重要点群,Ih 点群 二十面体构型的分子或离子（对称操作: 120个） 富勒烯、B12H122-,分子结构中的重要点群列表,对称操作的表示矩阵,恒等操作E的表示矩阵,反映操作xy的表示矩阵,反演操作i的表示矩阵,旋转Cn操作矩阵方程,

10、绕Z轴,对称操作的表示矩阵,旋转-反映操作Sn的表示矩阵 (绕 z 轴按逆时针方向转动 角),对称操作群,群的定义：按照某种规律联系着的一组元素的集合。对于给定的乘法满足下述四条公设：满足封闭性、结合律成立、单位元E存在、逆元素存在。 封闭性：若aG, bG，则abG 结合律：(ab)c=a(bc) 单位元E：ae=ea=a 逆元素: aa-1=e 对称操作的集合构成的群称为对称操作群,简称对称群。 分子所有对称元素必须至少通过一点,故称分子点群。,对称群,证明：封闭性,对称群,旋转-反映Snm的逆操作与m和n的奇偶性有关 n=是偶数，不论M是偶或奇数，它的逆操作都是Snn-m n=是奇数，m

11、=偶数，则Snm = Cnm ，因而它的逆操作是Cnn-m n=是奇数，m=奇数，则Snm = Cnm ，它的逆操作应为Cnn-m 的乘积，且等于Cn2n-m ，因而可写成单一的操作Sn2n-m,反映 的逆操作就是 本身： = 2=E 旋转Cnm的逆操作是Cnn-m，因为：Cnm Cnn-m = Cnn = E,群的表示,对称操作群所含的一组对称操作的表示矩阵也构成群.简称群的表示 特征标 - 矩阵的对角元素之和.任何表示矩阵的集合，包含了点群的全部对称信息，这些信息也包含在矩阵的特征标之中。,可约表示,不可约表示,特征标表,任何表示矩阵的集合，包含了点群的全部对称信息，这些信息也包含在矩阵的

12、特征标之中。 同类元素: 若A, B, C为群的元素.当有关系式BAB-1=C 成立时,称A和C是群的类元素。,C3v 的特征标表,群的不可约表示和特征标规则,群的不可约表示维数平方和等于群的阶。 C3v点群的三个不可约表示中，两个一维，一个二维，阶为6。(12 + 12 + 22 = 6 = h) 2. 群的不可约表示的数目等于群中类的数。 C3v点群的群元素分成三类因而必须有三个不可约表示。 3. 群的不可约表示特征标的平方和等于群的阶。 4. 群的两个不可约表示的特征标满足正交关系。 5. 属于同一类的对称操作具有相同的特征标。,可约表示的分解,可约表示可以分解为组成它的一系列不可约表示

13、分解公式： 其中：n( v)为第v个不可约表示在可约表示中出现的次数;h为群的阶；hi第i类对称操作数；xiv为第v个不可约表示对应于第i类对称操作的特征标，xi为可约表示对应于第i类对称操作的特征标上式对i的求和遍及所有的对称操作类,可约表示的分解,分子的对称性应用,若分子的正负电荷中心重合，就表示分子的偶极矩等于零，否则分子就有偶极矩，这种分子就是极性分子。 例如：H2O和NH3分子有偶极矩，为极性分子； CO2的永久偶极矩为零； CCl4分子永久偶极矩为零。 2. 分子有无旋光性就看它是否能跟它的镜像重合。所有不对称分子都具有旋光性。,第二章 材料结构原理- 晶体篇,晶体结构可表述为：

14、晶体结构 = 点阵 + 结构基元 点阵：在空间任何方向上均为周期性排布的无限个全同点的集合。点操作的集合构成的群称为点群。 给定晶体，其中任意两个点阵点所代表的两个结构基元应该满足： 1)化学组成相同 2)内部结构相同 3)周围环境相同 旋转、倒反、反映、旋转-倒反、旋转-反映、螺旋旋转、滑移反映,点对称操作,轴次定理,绕A轴旋转，将B点转至B点 绕B轴反向旋转，将A点转至A点 线段BA长度为t，且与线段AB平行,A，B点是点阵点，A,B点也必是点阵点 AB与BA属于同方向的点列，该方向点列的周期为t，BA的距离t必为t的整数倍，即 t =mt 由左图可得 t=-2tcos +t 联立 cos

15、 =(1-m)2 即-2(1-m)2 m=-1 ,0, 1, 2, 3 相应的 =0, 2/6, 2 /4, 2 /3, 2 /2,轴次定理：晶体中只可能存在1，2，3，4，6重对称轴，5重和6重以上对称轴不存在 。,A,B,A,B,t,t,轴次定理,正五边形沿竖直轴每旋转720恢复原状，但它不能重复排列充满一个平面而不出现空隙。因此晶体的旋转对称轴中不存在五次轴，只有1，2，3，4，6度旋转对称轴。,对称群,群的阶：有限群中互不相同的元素的个数称为该群的阶。 对称群中两个元素的乘积为顺次进行两个操作，乘积a2a1表示先操作a1，后操作a2，即先进行右边的操作。 对称操作的乘积不一定服从交换律

16、. 有限群、无限群、子群、交换群、循环群。 重排定理：有限群G的所有元素的阶都是有限的，并且不大于群G的阶。,共轭与相似,定义：设a与b是群G的两个元素，若G中可找到一元素x，使得b=xax-1，则称b与a共轭。共轭操作是同类型的对称操作，x是使操作a的对称要素与操作b的对称要素重合的对称操作。（反身性、相互性、传递性） 群G中的所有相互共轭的元素的集合称为G的一个共轭类。每一元素属于且仅属于一个共轭类。 定义：设A，X为两个操作，则满足B=XAX-1 ，则称B与A是相似操作。X是使操作A的几何要素与操作B的几何要素重合的操作. 万花筒原理: 两个交角为n 的对称面的交线是n重旋转对称轴。,万

17、花筒原理,把对镜面mj的反映转化为对镜面mi反映的表达式。由相似操作的概念 mj = R mi( R )-1 其中R 是以mi, mj的交线为轴将镜面mi转到镜面mj的操作，因此mj的操作矩阵为:,顺次进行mi, mj两个操作的矩阵为,这正是绕mi和mj的交线转2 的旋转。 对称面的夹角取 n，则n重对称轴的基转角为2 n。,子群的陪集,群G的子集H构成的群为G的子群。任何群G都有两个平凡子群即G本身和单位元e。这两个子群之外的其它子群称为G的真子群。 a左乘H的每一元素得到的集合aH称为H的一个左陪集，集合Ha称为H的一个右陪集。 有限群的子群H的每一左(右)陪集中的元素个数与H中的元素个数相同； H的任何两个左(右)陪集的两组元素或者全部相同，或者全